氮化鎵廣泛應(yīng)用于LED照明，并在無線應(yīng)用中發(fā)揮越來越重要的作用。隨著工藝的進步和缺陷率的不斷降低，氮化鎵在交直流電力轉(zhuǎn)換、改變電壓電平，并且以一定數(shù)量的函數(shù)確保可靠電力供應(yīng)的電子電源中的優(yōu)勢越來越明顯。基于氮化鎵的開關(guān)功率晶體管可實現(xiàn)全新電源應(yīng)用，與之前使用的硅材料晶體管相比，在高壓下運轉(zhuǎn)時，性能更高，損耗更低。

 

近日，由半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)網(wǎng)、第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)（公號）、博聞創(chuàng)意會展（深圳）有限公司共同主辦的“2021第三代半導(dǎo)體技術(shù)及充電產(chǎn)業(yè)合作論壇”在“ELEXCON深圳國際電子展暨嵌入式系統(tǒng)展”同期舉行。論壇特別邀請第三代半導(dǎo)體相關(guān)專家、快充產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)專家及企業(yè)代表，探討第三代半導(dǎo)體技術(shù)及充電產(chǎn)業(yè)機遇與挑戰(zhàn)。

南京芯干線科技有限公司數(shù)字電源應(yīng)用總監(jiān)周陽做了題為“氮化鎵功率器件及在數(shù)字電源中的應(yīng)用”的主題報告。隨著技術(shù)的進步和成本的下降，氮化鎵將在中小功率應(yīng)用里面逐步取代硅MOSFET（尤其是超結(jié)MOSFET)，2025年氮化鎵充電器總額將超過82億元，滲透率將超過60%。結(jié)合65W超小型適配器發(fā)展史、氮化鎵超小型65W適配器方案、芯干線 65W 準諧振（QR）PD適配器等內(nèi)容分享了最新趨勢。

 

 從大類來看，氮化鎵的應(yīng)用可以分為消費類，工業(yè)類及汽車類。就消費類而言，目前氮化鎵超過一大半的應(yīng)用都在快充適配器領(lǐng)域。這是因為快充適配器要求便攜性，氮化鎵正好解決了這個痛點。就工業(yè)類而言，氮化鎵將在兩千瓦以下的應(yīng)用中，廣泛取代傳統(tǒng)的650V硅MOS管。這其中比較讓人垂涎的是服務(wù)器電源。因為服務(wù)器電源有海量的市場而且又有效率、散熱和體積方面的痛點。類似目前的快充領(lǐng)域，伴隨大數(shù)據(jù)時代的到來，未來氮化鎵將逐步替代硅MOS管，在服務(wù)器電源領(lǐng)域占據(jù)較大的市場份額。

 

隨著技術(shù)的進步和成本的下降，氮化鎵將在中小功率應(yīng)用里面逐步取代硅MOSFET（尤其是超結(jié)MOSFET)，2025年氮化鎵充電器總額將超過82億元，滲透率將超過60%。超結(jié)MOS管在幾年前大約有9億美元的市場。目前可能有十幾億美元。因為氮化鎵是對標超結(jié)MOS管，超結(jié)MOS管的市場規(guī)模一定程度上可以預(yù)測氮化鎵的市場規(guī)模。右邊這張圖所展現(xiàn)的是氮化鎵功率器件和超結(jié)MOS管的價格比較。對那些通態(tài)電阻大于75毫歐的器件而言，氮化鎵的器件成本非常接近超結(jié)MOS管。然而通態(tài)電阻較小的器件，例如50毫歐及以下，氮化鎵價格相比超結(jié)硅MOS管就沒有什么優(yōu)勢了。

 

近5年來有代表性的65W超小型適配器比較來看。拓撲結(jié)構(gòu)有普通反激，準諧振反激，有源鉗位反激，甚至三電平LLC。主開關(guān)管也涵蓋了超結(jié)硅MOS管，氮化鎵甚至碳化硅MOS管。功率密度從11到接近20瓦每立方英寸。價格分布也從20多美元一直到100美元以上。雖然氮化鎵功率器件的價格仍然高于硅超結(jié)MOS管，但從PD適配器的價格/成本而言，并非比硅更貴。相反，做的特別小巧的硅基PD適配器成本最高，價格也最為昂貴。

 

三種65W氮化鎵適配器拓撲結(jié)構(gòu)比較來看。其中QR，也就是準諧振反激最為常見。QR的好處在于只需要一顆開關(guān)管，電路調(diào)試也相對容易。但體積沒辦法做到最小，一般主開關(guān)頻率也低于300KHz。第二種拓撲結(jié)構(gòu)是ACF，也就是有源鉗位反激。這種拓撲需要兩顆開關(guān)管，工作頻率可達400KHz。體積可以做的更小，功率密度可以做的很高。參考小米的65瓦適配器，功率密度接近20瓦每立方英寸。第三種比較特別，LLC一般會用在相對功率高一些的場合，特別是前級有功率因數(shù)校正（PFC）的情況下。如果在需要讓LLC工作在寬電壓范圍輸入，可以考慮在前級使用倍壓電路。這種拓撲和ACF一樣，也需要兩顆開關(guān)管，但同時它的控制器需要使用數(shù)字控制方式，在ACF的基礎(chǔ)上又增加了一些控制器的成本。然而LLC的拓撲結(jié)構(gòu)可以適用于很高的開關(guān)頻率，可以把適配器的體積做的非常小。我們曾經(jīng)評估過1.5MHz的工作頻率，65W的適配器可以做到僅比蘋果傳統(tǒng)的5瓦充電器大一些的體積，功率密度也可以達到26。

 

周陽表示，芯干線的130瓦氮化鎵PD快充適配器方案使用的是PFC＋LLC的架構(gòu)。其中PFC的控制器是TI的UCC28056，PFC主開關(guān)管是一顆芯干線xGaN系列XG6508B8氮化鎵器件及芯干線xSiC系列XD6504D碳化硅肖特基二極管。LLC級所用的主開關(guān)管同樣是兩顆芯干線xGaN系列氮化鎵功率器件。目前芯干線的130瓦氮化鎵PD適配器已經(jīng)通過了包括EMI傳導(dǎo)，輻射在內(nèi)的一系列安規(guī)測試，效率高達95%以上，可以支持客戶量產(chǎn)。

 

 

周陽精通數(shù)字電源控制；精通PFC數(shù)字電源控制，精通逆變器控制；精通LLC控制。